「好一朵美麗的茉莉花，芬芳美麗滿枝椏」，這是許多人都非常熟悉的中國風歌詞。這幾年茉莉備受人們的寵愛，有商家將茉莉花串成手鏈，也有商家將茉莉花放入奶茶甚至豆漿中作為佐料。
（來源：AI 生成）
植物學家一般認為茉莉原產於印度，在西漢時傳入中國。由於茉莉性喜溫暖濕潤，因此它最早最初種植於廣東和福建一代。
中國科學院深圳先進技術研究院湯紅婷研究員，正是一位生活在廣東的科研工作者，而她和茉莉也有著莫名的緣分。不過在她的手中「茉莉」不再以花朵的形式存在，而是以化合物和氣味的方式存在。
圖 | 湯紅婷（來源：湯紅婷）
前不久，她和同事在釀酒酵母中合成了植物激素茉莉酸，首次構建了可用於合成茉莉酸類化合物的酵母細胞工廠。
該工廠不僅在生產上不受時令限制，而且具備可被規模化放大的特點。 針對茉莉酸類化合物的高效、綠色可持續生產來說，這一成果提供了一項新方法。
同時，針對茉莉酸的合成過程，他們鑒定出了多種結構異構體。這為深入理解茉莉酸合成途徑的多樣性和調控機制提供了重要線索，也為進一步最佳化酵母細胞工廠的茉莉酸合成能力奠定了基礎。
未來，隨著合成生物技術的不斷發展，透過利用酵母可以高效地合成茉莉酸類化合物，並能實作工業化的生產，從而帶來廣泛的套用前景。具體來說：
其一，在本次成果的幫助之下，茉莉酸類化合物在農業領域上的套用可以有所突破。由於茉莉酸是植物天然激素，因此很有潛力取代傳統的農藥，透過調控植物的生長和品質，提高植物對病蟲害的抵抗力，從而減少農藥的使用量，降低環境汙染和食品農藥殘留風險。
其二，憑借獨特的茉莉花香味，茉莉酸類化合物還可以作為香料，從而用於食品和化妝品之中，為其增添迷人的花香。
其三，透過合成生物技術的高效合成以及工業化生產途徑，茉莉酸類化合物將能得到穩定的供應，從而帶動其他相關行業的創新和發展。
從小小茉莉到綠色制造
看似只是關於小小茉莉的成果，其實背後蘊含著綠色生物制造的宏大命題。要想實作「綠水青山」這一目標，綠色生物制造是其中一項重要路徑。
透過一系列的工程手段，例如異源途徑引入、啟動子工程、蛋白質工程、代謝工程、胞器工程等，可以對目標底盤細胞進行改造，從而獲得具有特定功能的微生物細胞工廠。
透過這些微生物細胞工廠， 能將一些廉價原料例如二氧化碳、纖維素等轉化為高值化合物，從而用於食品、能源、醫藥、材料、化妝品等領域。
茉莉酸（JA，Jasmonic acid），是高等植物體內的內源生長調節物質。
透過脫羧化、糖基化、甲基化、接合等反應，能讓茉莉酸產生一系列的衍生物，這些衍生物可以進一步地發生上述反應，從而得到更廣泛的衍生物。
在這些衍生物中，比較常見的是茉莉酸甲酯和茉莉酸-異白胺酸。茉莉酸本身含有四種化學結構，其中（+）-epi-JA 和（-）-JA 是天然存在的結構，而（-）-epi-JA 和（+）-JA 是被認為是非天然存在的結構。
茉莉酸類化合物，則是一類普遍存在於植物體內的脂質激素，並具有多種不同類的型。茉莉酸類化合物具有廣泛的套用。在農業上它能促進植物的生長發育和果實成熟，並具有抗病蟲害的功能。因此，茉莉酸類化合物是「綠色農藥」的重要候選分子。
此外，由於其獨特的茉莉花香，茉莉酸類化合物也受到了食品和化妝品兩大行業的青睞。此外，還有一些研究表明茉莉酸具有重要的藥用價值。
當前，人們主要透過植物提取的方式來生產茉莉酸類化合物。盡管茉莉酸類化合物具有非常重要的功能，但它在植物中的含量非常低（10~100ng/g 濕重），這給種植和提取提出了更高的要求，限制了該類化合物的生產和套用。
雖然關於茉莉酸類化合物的化學全合成路徑是已知的，但是由於環境汙染、合成過程繁瑣、分離純化困難等因素，導致上述已知的化學合成路徑並未被工業化生產所采用。
如今，人們發現有一些微生物能夠以天然的方式合成茉莉酸，但是這些微生物大部份都是致病菌，遺傳操作技術不成熟，因而很難實作茉莉酸類化合物的大規模綠色生物制造。
那麽，如何才能實作茉莉酸類化合物的綠色生物制造？通常來說，要想實作一個產物的綠色生物制造，構建一個特定的微生物細胞工廠是一種常用手段。
在這類手段之中：首先要挖掘和設計生物合成通路，進而要選擇底盤細胞和重構途徑以及最佳化產量，最後是實作規模化的生產。
因此，在微生物細胞工廠中重構茉莉酸合成途徑，是實作其綠色生物制造極具潛力的方式。
（來源：Nature Synthesis）
胞器的「刷臉開門」
而在本次研究之中，湯紅婷先是分析了植物中茉莉酸類化合物的生物合成途徑，借此找出了重構途徑中存在的三個難點：通路復雜、需要多個胞器參與、需要植物專屬胞器葉綠體。
原核生物例如大腸桿菌，具備結構簡單、容易操作的特點，但是它們不具有胞器。真核生物例如釀酒酵母，其結構略微復雜、易於操作，而且具有胞器。
基於此，課題組選擇釀酒酵母作為底盤細胞進行構建。構建過程中，課題組所面臨最大的難點在於：釀酒酵母不具有葉綠體，所以需要一個合適的場所來代替植物的葉綠體功能。
由於前體物質會在各個胞器之間穿梭，因此跨膜次數（可以理解為「刷臉開門禁」）是重構過程的一個挑戰，畢竟並不是每個膜上都有相應的「臉部辨識」。
綜合考慮之後，課題組選擇酵母內質網和細胞質，來替代植物的葉綠體合成前體物質 α-亞麻酸和 12-氧代-植物二烯酸。
最終，他們以釀酒酵母為底盤，利用來自多種植物和真菌的 15 個異源基因，在刪除三個內源基因之後，透過使用不同的胞器作為合成場所，分別合成了 α-亞麻酸、12-氧代植物二烯酸、茉莉酸、茉莉酸甲酯和茉莉酸-異白胺酸。
事實上，茉莉酸在許多植物之中都存在合成途徑，而阿拉伯芥作為植物的模式生物，具有相對清晰的遺傳背景。因此，課題組選擇阿拉伯芥中的茉莉酸合成途徑來作為參考。
將重構途徑設計完畢之後，他們嘗試將整條途徑直接引入釀酒酵母中，希望能一次性實作茉莉酸的生物合成。
然而，現實是殘酷的，這一嘗試並沒有取得成功。於是，他們根據所設計的四個模組，逐個攻克其中的問題。
透過挖掘關鍵酶、改造進行代謝工程、最佳化基因拷貝數等手段，實作了茉莉酸及其衍生物的生物合成。
在實作茉莉酸合成的時猴，他們觀察到這樣一個現象：在檢測過程中，茉莉酸產物可能是混合物。
透過參考文獻報道，他們推測本次合成的茉莉酸，應該是結構最為穩定的（-）-JA。在對上述現象進行深入研究之後，他們發現除了天然的茉莉酸結構，酵母細胞工廠還能合成一些「非天然結構」的茉莉酸。
於是，課題組透過基因編輯和代謝工程的手段，嘗試改變酵母細胞中相關基因的表達水平，以便調控茉莉酸的合成途徑，試圖借此提高目標產物的純度和穩定性。
同時，他們還使用質譜分析等技術，對合成產物的結構進行詳細的鑒定和分析，從而確定具體的成分和結構特征。
最終，相關論文以【用於從頭合成茉莉酸的工程酵母】（Engineering yeast for the de novo synthesis of jasmonates）為題發在 Nature Synthesis [1]。
湯紅婷是第一作者兼共同通訊，中國科學院深圳先進技術研究院兼職研究員兼中心主任傑伊·D·基斯林（Jay D. Keasling）和中國科學院深圳先進技術研究院研究員羅小舟擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Synthesis）
湯紅婷表示：「作為一名女性科研工作者，我深知這條路並不容易，當實驗不順利的時候，不僅內心感到焦慮，還需要兼顧家庭中的兩個孩子。但正因為有了家人和領導的支持，使得這段充滿辛勞的旅程變得甜蜜和幸福。」
後續，她將和同事繼續透過工程改造釀酒酵母，進一步提高茉莉酸的產量，以期實作其產業化生產並套用於農業等領域。
具體來說， 他們將持續進行代謝途徑的最佳化、基因調控和發酵工藝的改進，以便提高茉莉酸的合成產量，從而讓這種富有前景的天然產物投入實際套用。
另一方面，他們也將持續關註脂肪酸類高值化合物的生物合成，並探索新的思路和方法。透過遺傳工程和代謝工程的手段，努力開發更高效、可持續的生物合成路徑，為更多的高值化合物實作綠色生制造提供新的途徑，並推動綠色生產理念的廣泛套用。
連續 12 年與酵母為伴
另據悉，此前湯紅婷至少申請過兩項關於釀酒酵母的專利。她表示：「釀酒酵母在我的學習時代和科研生涯中扮演著非常重要的角色。當我還是一名研究生的時候，我就一直與釀酒酵母為伴，至今已經持續 12 年之久。」
在這漫長的時間裏，她不僅對釀酒酵母產生了深厚的感情，也逐漸揭開了釀酒酵母的一層又一層「面紗」。
作為一種微生物，酵母具有許多獨特的特性和功能。在湯紅婷的研究中，她將酵母作為一個理想的底盤來構建各種內容的細胞工廠。
透過利用酵母的生物合成能力，其將二氧化碳和纖維素等廉價碳源轉化為高價值的產物，比如利用酵母來生產重組織蛋白。
而透過基因工程技術，她把一些基因序列匯入酵母細胞中，使其能夠分泌或展示目標蛋白，從而用於食品、能源、以及醫藥等領域。
除了重組織蛋白之外，酵母還具有合成天然產物、醣類衍生物和能源的能力。在酵母的幫助之下，湯紅婷和同事曾合成了茉莉酸和萜類化合物等天然產物，也合成了醣類化合物和乙醇等能源物質。
可以說，正是因為有了酵母，才為他們提供了一種生產化合物的可持續方法。同時，湯紅婷還開發了一系列最佳化酵母的技術，包括啟動子工程、蛋白工程、代謝工程和胞器工程等。
在對酵母細胞的基因和代謝網絡進行改造和最佳化之後，就能提高酵母在各種生產過程中的效率和產量。
總之，酵母在她的研究成果中扮演著重要角色。
比如，湯紅婷近期在 Nature Catalysis 上發表的另一篇論文中【酵母代謝工程用於生產碳水化合物衍生食品和化學品】（Metabolic engineering of yeast for the production of carbohydrate-derived foods and chemicals from C1–3 molecules），也是基於酵母細胞而展開。
圖 | 相關論文（來源：Nature Catalysis）
在該項研究之中，她利用合成生物學和代謝工程的手段，開發出一個酵母細胞平台。
對於基於二氧化碳衍生的系列低碳化合物，比如甲醇、乙醇、異丙醇等來說，這款酵母細胞平台可以把它們轉化為糖及糖衍生物，包括木糖、木糖醇、葡萄糖、肌醇、胺基葡萄糖、蔗糖和澱粉。
透過對代謝重構和葡萄糖進行抑制和調控，她和同事讓葡萄糖和蔗糖的產量提高到每升數十克。
對於將二氧化碳轉變成醣類衍生物來說，這一成果帶來了一種高效且可持續的方法，不僅能夠助力「雙碳」目標的實作，也為國家糧食安全提供全新的思路。
參考資料：
1.Tang, H., Lin, S., Deng, J.et al. Engineering yeast for the de novo synthesis of jasmonates. Nat. Synth (2023). https://doi.org/10.1038/s44160-023-00429-w
2.Tang, H., Wu, L., Guo, S. et al. Metabolic engineering of yeast for the production of carbohydrate-derived foods and chemicals from C1–3 molecules. Nat. Catal . (2023). https://www.nature.com/articles/s41929-023-01063-7#Sec1
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